大型铁路站场钢轨电位分析

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(中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130000)

0 引言

牵引电流流经钢轨时，使得钢轨对地电位显著升高[1-3]。钢轨电位的升高给道旁的工作人员的人身安全带来威胁，也对铁路沿线与钢轨连接的电气设备带来干扰，甚至损坏。当一些关键设备如列车运行的监控、调度等系统被干扰时，可能导致线路运营失控，造成严重的后果[4]。大型站场附近是一个特殊的运行环境，道旁工作人员活动密集，而且调度、监控设备多。此外，站场附近区域的路况与线路上的不同，集中表现为多股道并联，站内与站外钢轨电位衰减系数(传播常数)不一致，有些轨道在站场附近即终止，钢轨与站内的综合地网相连等。参考文献[5-8]对钢轨电位的分布规律进行了分析，但采用的分析模型是钢轨向两端无限延伸时的情况，分析结果并不能代表站场附近轨道的电位分布，因此，以钢轨视在阻抗为特征量，对大型站场的钢轨电位分布规律进行了分析，并针对站场不同结构特点给出了相应的应对措施。

1 钢轨视在阻抗

在考察钢轨电位分布时，一般先分析钢轨上的电流分布，然后根据欧姆定律，对钢轨电流与钢轨阻抗的乘积进行积分即可得到钢轨的电位分布。由于电流沿钢轨不断泄漏，钢轨上各点的电流大小不同，因此在计算列车左右两边钢轨电流分配时，不能简单认为是左右两端钢轨阻抗之比，而应采用钢轨的视在阻抗。

单点电流输入的钢轨视在阻抗(后面简称视在阻抗)是指钢轨的电流输入点与无穷远的零电位间的阻抗。根据参考文献[7]可知，对于单端无限延伸的钢轨，当电流I0从端点注入时，在稳态下钢轨电压、电流有效值的分布为：

(1)

x为距电流注入点的距离，γ为钢轨衰减系数；U0=(R+jωL)/γ，是电流注入点电压；R为单位长度钢轨的电阻；L为单位长度钢轨的电感；ω为牵引电流角频率。

此时钢轨的视在阻抗为：

(2)

同理从电流注入点来看，单端无限延伸的钢轨上两点之间的视在阻抗为：

(3)

Δl为两点之间的距离；l是靠近电流注入点侧的点距电流注入点的距离。

图1给出了钢轨视在阻抗中的电阻分量与电抗分量与两点间距离的关系曲线。通过曲线可以看出，随着两点间距离的增加，电阻分量与电抗分量逐渐增大而且趋于饱和，即视在阻抗逐渐由式(3)演变为式(2)。

图1 视在阻抗与两点间的距离的关系

2 铁路站场的钢轨电压分布

2.1 线路端部附近钢轨电压分布

大型铁路站场附近，有许多短距离的错车或调度线路，此时钢轨不是向两端无限延伸，在这种条件下，钢轨电压电流不再以机车电流注入点呈对称性分布[5]，需要具体分析。如图2所示。

图2 列车运行于轨道端部

当机车运行在线路端部附近时，由机车注入钢轨的电流I0分为两部分，一部分电流I1向左边沿钢轨逐渐泄漏入大地，到线路端部时钢轨电流为零；另一部分电流I2向右沿钢轨泄漏入大地，随钢轨逐渐延伸至无穷远处。

机车左端的视在阻抗为Z1，机车右端的视在阻抗为Z2。机车左端的视在阻抗可以看成是机车到线路终端钢轨阻抗和钢轨接地电阻之和，可表示为：

(4)

机车右端的视在阻抗即为单端无限延伸的钢轨视在阻抗：

(5)

牵引电流由机车注入钢轨后，根据Z1和Z2的大小进行分配。Z1和Z2为并联关系，据此可以求出机车左端和右端钢轨电流I1和I2，分别为：

(6)

根据有限长钢轨电流分布可知，机车左侧线路端部的电流分布为：

(7)

则线路端部的电压分布为：

(8)

2.2 局部多股道并联电压分布

在大型铁路站场附近存在局部地段多股道并联情况，如图3所示，在线路的A，B两点之间，有多条股道，钢轨电流向土壤漏泄量比其它地方要多，这样使牵引回流在钢轨上的分布出现新的变化。

图3 局部多股道并联

当机车在线路上运行时，牵引电流I0从A点注入钢轨，机车左边的钢轨为单线情况，在机车的右边钢轨由n条股道并联(假设每条股道的参数完全相同)，到达B点后，又汇聚成单线，AB区间长度为lAB。n条股道并联后，虽然单位长度钢轨的阻抗减小为1/n，但对地的电导增加了n倍，因此多股道区间的钢轨电压衰减系数与单线时相同。此时机车右端的钢轨视在阻抗为AB段与B至右端无限远处阻抗的串联。根据上文的分析可知，从A点看，AB段钢轨的视在阻抗为：

(9)

从A点看，B点右边钢轨的视在阻抗为：

ZB=(R+jωL)·e-γlAB/γ

(10)

则机车右端钢轨的视在阻抗为：

(11)

机车左端钢轨的视在阻抗为：

(12)

同理，将Z1和Z2代入式中即可得到电流注入点左右两侧的钢轨的电流分配。

则多股道路况下的钢轨电压分布为：

(13)

2.3 集中接地的钢轨电位分布

站场内为了降低钢轨电压或人身设备安全的需要，需要敷设接地网，进行集中接地。如图4所示，在线路的B点装设接地电阻为RJ的接地网。加装了接地电阻后，当牵引电流I0由A点注入钢轨后，分别向钢轨左右两边传播，AB点距离为lAB，牵引回流通过B点后，一部分电流通过接地电阻流入土壤中，另一部分电流沿B点右边的钢轨继续传导，逐渐漏泄到大地中。

图4 含集中接地电阻

A点左边的视在阻抗为：

(14)

B点右端钢轨的阻抗为(R+jωL)/γ，它与RJ并联后AB段的视在阻抗为：

(15)

则从A点看，钢轨右端的视在阻抗为：

(16)

同理，将Z1和Z2代入式中即可得到电流注入点左右两侧的钢轨的电流分配。则含有集中接地网时，钢轨的电压分布为：

(17)

3 钢轨电位的比较分析

图5 几种典型工况下的电压分布

图5分别给出了几种特殊情况与一般情况下的钢轨电压分布曲线，参数的选择为：衰减系数取值为0.37(大秦线测得的结果)，单位长度(每km)的钢轨电阻为0.135 Ω，感抗为0.533 Ω，股道并联数选择为3，并联股道区间的长度选择为2 km，集中接地电阻阻值选择为1 Ω，牵引电流考虑100A。

由图5a可以看出，在线路端部附近，钢轨电位明显比一般情况高，因此应考虑在线路端部附近进行集中接地处理，对钢轨电流进行分流，以降低钢轨电位。通过图5b可以看出，多股道并联后，在初始阶段，钢轨电位明显降低，但由于多股道并联后的电阻较小，故在多股道区间的电压降较小，因此出现了在后续阶段，多股道并联后的电压反而比一般情况下的电压高。此时应考虑在多股道连接点处进行集中接地处理。通过图5c可以看出，对站场附近的钢轨进行集中接地后，钢轨的电位明显降低。

4 结束语

通过对钢轨的视在阻抗进行分析，并以视在阻抗为参数，对大型铁路站场附近的钢轨电压分布进行了分析。研究结果如下：

①集中接地可以有效地降低钢轨的电位。

②线路端部附近的钢轨电位明显高于普通线路条件下的钢轨电位，因此应进行该处进行加强接地处理，可以考虑埋设集中接地极或将其与附近建筑物的接地钢筋相连。

③多股道并联在初始阶段可以有效地降低钢轨电位，但由于多股道并联的电阻较小，因此与一般情况相比，在多股道区间的压降较小，因此当距离超过一定范围后，多股道并联时的钢轨电压反而比一般情况下高，应在多股道连接处进行集中接地处理。

参考文献：

[1] XIE S F. Study on methods to reducing rail potential of high-speed railway [C]//32thIEEE Industrial Electronics Annual Conference, 2006:1042-1046.

[2] 张战平.直供方式交流电气化铁道钢轨泄漏电流分布特性及其地电位[J].铁道学报，1991，1(13)：25-33.

[3] 唐元方.客运专线无碴轨道桥梁综合接地及其必要性[J].铁道工程学报，2006，5(95)：63-66.

[4] 张婧晶,张家新.客运专线综合接地系统的仿真与研究[J].电气化铁道，2007(6)：24-27.

[5] 李韶军，孙亮勤.直供方式钢轨电流分布数学模型与软件仿真[J].北方交通大学学报，1991，15(3)：67-76.

[6] 吴命利，黄足平，辛成山.降低电气化铁道钢轨电位技术措施的研究[J].电气化铁道，2005(5):30-38.

[7] 缪耀珊.交流电气化铁道的钢轨对地电位问题[J].电气化铁道,2007(4)：1-6.

[8] 陈屹，邓云川.遂渝线无砟轨道综合接地系统钢轨点位及电流分布的分析[J].铁道工程学报，2007(S1)：426-429.